專利名稱：兩面具有不同親水疏水性能的功能碳紙材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種具有優(yōu)良電化學(xué)性能的碳紙材料及其制備技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是一種適用于質(zhì)子交換膜燃料電池電極擴(kuò)散層要求的功能碳紙及其制備方法。
質(zhì)子交換膜燃料電池電極擴(kuò)散層材料的選擇對電極和電池的電化學(xué)性能有十分重要的影響。通常質(zhì)子交換膜燃料電池電極由擴(kuò)散層和催化層組成，電極擴(kuò)散層一方面提供反應(yīng)氣體、電子流和排出生成水的通道，另一方面支持催化層網(wǎng)絡(luò)，是組成電極-膜-電極三合一膜電極組件的重要構(gòu)造材料，其性質(zhì)主要取決于所選擇的材料。
目前國內(nèi)外用于質(zhì)子交換膜燃料電池電極擴(kuò)散層的材料主要是碳紙。而以往技術(shù)制作的碳紙作為電極擴(kuò)散層時(shí)，需要經(jīng)過較復(fù)雜的后處理過程，才能使碳紙的兩面具有不同的親水疏水性能，以滿足碳紙?jiān)谑褂脮r(shí)具有定向傳輸氣、液的功能。
本發(fā)明的目的在于提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池電極擴(kuò)散層碳紙制備的新方法。本方法的特點(diǎn)在于制備碳紙過程中首先制備出兩種不同組成和疏水性能的碳紙漿液，然后采用兩次濾漿，壓制成型處理，使其成型后兩面具有不同親水疏水性能，該過程避免了通常碳紙使用時(shí)復(fù)雜的后處理過程。此法制備的碳紙所選原料價(jià)廉易得，工藝流程簡單。同時(shí)在制備過程中通過加入石墨粉等物質(zhì)，使碳紙有良好的導(dǎo)電性和適宜的孔隙度。
本發(fā)明的技術(shù)方案是制備的碳紙由兩層組成。其中一層由0-20％纖維素漿、60-99％碳纖維和0-20％石墨粉及少量的粘合劑組成；另一層則由0-20％纖維素漿、40-97％碳纖維、0-20％石墨粉和2-20％礦物纖維及少量的粘合劑組成。將通過濕法抄紙技術(shù)抄制的兩層碳纖維紙復(fù)合層壓成型，再高溫碳化處理得到本發(fā)明的功能碳紙。
本發(fā)明提供的其他技術(shù)方案是碳纖維可以是聚丙烯晴基碳纖維、瀝青基碳纖維等。
纖維素漿可選木漿、棉漿等。
礦物纖維可以是玻璃纖維或者石棉纖維等。
本發(fā)明提供一種適宜作質(zhì)子交換膜燃料電池電極擴(kuò)散層碳紙的制備方法，依次包括下列步驟a.配制0.05-1％的分散劑水溶液，然后使碳纖維在分散劑水溶液中分散打漿，制得叩解度為2-60°的碳纖維漿；b.將纖維素分散打漿，制得叩解度為2-60°的紙漿；c.將碳纖維漿、紙漿和石墨粉按一定比例混合，加入一定量的造孔劑溶液和粘合劑，放入攪拌機(jī)混合攪拌，既可得到造紙混合漿料；d.按常規(guī)濕法造紙技術(shù)將造紙混合漿料抄紙成型；e.按上述步驟制備另一層碳紙漿料，在制備漿料過程中添加叩解度為2-60°經(jīng)處理的礦物纖維，使其含量在含量2-20％范圍內(nèi)；f.將兩層碳紙復(fù)合壓制，干燥；g.將復(fù)合壓制成型的纖維紙?zhí)蓟幚?，碳化溫度?00-2200℃，碳化處理后既可得本發(fā)明制備的功能碳紙。
本發(fā)明還提供如下方法步驟a礦物纖維的處理，加入適量濃度的有機(jī)物和石墨粉混合1h。
步驟b的礦物纖維纖維切短在1-15mm范圍內(nèi)，以1-10mm為較佳選擇。
本發(fā)明制備的質(zhì)子交換膜燃料電池?cái)U(kuò)散層碳紙，兩面具有不同的親水疏水性能。雖然在制備過程中加入了礦物纖維，但通過一定處理和控制打漿不影響其導(dǎo)電性，經(jīng)測試仍具有優(yōu)良的電化學(xué)性能。它明顯克服了目前質(zhì)子交換膜燃料電池電極擴(kuò)散層所用的碳紙柔韌性差，以及組裝電池時(shí)需要復(fù)雜的使其兩面具有不同的親水疏水性能的后處理操作過程。
本發(fā)明提供的質(zhì)子交換膜燃料電池電極擴(kuò)散層是以天然纖維素漿粕和碳纖維為基體，以石墨粉兼作導(dǎo)電相和孔隙調(diào)節(jié)物質(zhì)，加入適量的分散劑和造孔劑等其他助劑，經(jīng)濕法造紙技術(shù)成型后的兩層經(jīng)壓制成型，再經(jīng)碳化處理后制成。其中一層需添加經(jīng)處理的礦物纖維。
本發(fā)明具有以下特點(diǎn)1.本發(fā)明提供了一種新的制備高性能功能碳紙工藝方法。制備的碳紙由組成、性能不同的兩層碳紙組成，制得的碳紙兩面親水疏水性能不同，適宜作質(zhì)子交換膜燃料電池電極的擴(kuò)散層。
2.本發(fā)明所選的礦物纖維易得、價(jià)廉，并且強(qiáng)度大，制備的碳紙強(qiáng)度高，且柔韌性好。
3.在抄紙過程中加入適量的造孔劑和石墨粉，能很好改善紙的微孔結(jié)構(gòu)，有較好的透氣性和孔隙度；4.本發(fā)明避免了碳紙作電極擴(kuò)散層時(shí)，使其兩面具有不同的親水疏水性能的后處理過程。
本發(fā)明提供以下實(shí)例適宜作質(zhì)子交換膜燃料電池電極擴(kuò)散層的功能碳紙其中一層含針葉木漿15％，瀝青基碳纖維74％，石墨粉10％，分散劑及其他助劑1％。另一層含針葉木漿10％，瀝青基碳纖維為70％，石墨粉為9％，玻璃纖維10％，分散劑及其他助劑1％，經(jīng)濕法抄紙壓制成型，在1100℃碳化2h?？紫堵蕿?5％，體積電阻率面內(nèi)方向0.04Ω.cm，可以與SGL公司生產(chǎn)的碳紙性能(體積電阻率面內(nèi)方向0.02Ω.cm，)相媲美，且本發(fā)明的碳紙空隙率可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。
權(quán)利要求
1.一種兩面具有不同親水疏水性能的功能碳紙，它適宜作質(zhì)子交換膜燃料電池電極擴(kuò)散層材料，其特征在于所述的功能碳紙由兩層經(jīng)濕法造紙技術(shù)成型后碳紙壓制復(fù)合成型，再經(jīng)碳化處理后制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適宜作質(zhì)子交換膜燃料電池電極擴(kuò)散層的功能碳紙其中一層由0-20％纖維素漿、60-99％碳纖維和0-20％石墨粉及少量的粘合劑組成；另一層則由0-20％纖維素漿、40-97％碳纖維、0-20％石墨粉和2-20％礦物纖維及少量的粘合劑組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適宜作質(zhì)子交換膜燃料電池電極擴(kuò)散層的功能碳紙，其特征在于所述的碳纖維可以是聚丙烯碳纖維、瀝青基碳纖維。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適宜作質(zhì)子交換膜燃料電池電極擴(kuò)散層的功能碳紙，其特征在于所述的礦物纖維為玻璃纖維、石棉纖維等。礦物纖維可直接使用，也可經(jīng)活化處理后使用。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適宜作質(zhì)子交換膜燃料電池電極擴(kuò)散層的功能碳紙，其特征在于所述的纖維素漿可選木漿、棉漿等。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的適宜作質(zhì)子交換膜燃料電池電極擴(kuò)散層的功能碳紙，其特征在于所述的化學(xué)纖維長度為1-15mm。
7.一種適宜作質(zhì)子交換膜燃料電池電極擴(kuò)散層的功能碳紙的制備方法，依次包括下列步驟a.配制0.05-1％的分散劑水溶液，然后使碳纖維在分散劑水溶液中分散打漿，制得叩解度為2-60°的碳纖維漿；b.將纖維素分散打漿，制得叩解度為2-60°的紙漿；c.將碳纖維漿、紙漿和石墨粉按一定比例混合，加入一定量的造孔劑溶液和粘合劑，放入攪拌機(jī)混合攪拌，既可得到造紙混合漿料；d.按常規(guī)濕法造紙技術(shù)將造紙混合漿料抄紙成型；e.按上述步驟制備另一層碳紙漿料，在制備漿料過程中添加叩解度為2-60°經(jīng)處理的礦物纖維，使其含量在2-20％范圍內(nèi)；f.將兩層碳紙復(fù)合壓制，干燥；g.將復(fù)合成型纖維紙?zhí)蓟幚恚蓟瘻囟葹?00-2200℃，碳化處理后既可得本發(fā)明制備的功能碳紙。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的適宜作質(zhì)子交換膜燃料電池電極擴(kuò)散層的功能碳紙，其特征在于后處理碳化溫度為500-2200℃。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的適宜作質(zhì)子交換膜燃料電池電極擴(kuò)散層的功能碳紙的制備方法，其特征在于步驟c和e的混合漿液在分散劑水溶液中的濃度為0.1-4wt％。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種兩面具有不同親水疏水性能的功能碳紙及其制備技術(shù)。本發(fā)明的功能碳紙首先制備兩種組成和疏水性能不同的碳紙漿液,然后采用兩次濾漿,壓制成型,再經(jīng)過后處理而得,使其成型后兩面具有不同親水疏水性能,適宜作質(zhì)子交換膜燃料電池電極擴(kuò)散層材料。本發(fā)明公開的功能碳紙兩面具有不同親水疏水性能,該過程避免了通常碳紙使用時(shí)復(fù)雜的后處理過程。該法制備的碳紙所選原料價(jià)廉易得,工藝流程簡單。同時(shí)在制備過程中通過加入石墨粉等物質(zhì),使碳紙有良好的導(dǎo)電性和適宜的孔隙度。
文檔編號D21H27/30GK1378014SQ02116609
公開日2002年11月6日 申請日期2002年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月11日
發(fā)明者汪樹軍, 張偉, 劉紅研, 張羽毳, 趙永豐 申請人:石油大學(xué)(北京)